Образование и свойства алмазов

5

Содержание

Введение

1.Происхождение слова «алмаз»

2. Химические свойства алмаза

3.Физико-механические свойства

4. Термические свойства

5. Оптические свойства

6.Электрические и магнитные свойства

7. Окраска

8. Форма и размеры алмазов

Заключение

Литература

Введение

Алмаз занял первое место в ряду драгоценных камней с тех пор, как его искусно ограненные формы, известные под названием бриллиантов, выявили все совершенство удивительных свойств этого металла. И действительно, ведь он сочетает исключительную твердость, высокое светопреломление, сильную дисперсию и яркий блеск.

Сырой алмаз имеет довольно невзрачный вид и непривлекателен для глаз. Поэтому легко понять, почему персы в XIII веке помещали алмаз в ряду драгоценных камней за жемчугом, рубином, изумрудом и даже хризолитом.

Индийские камнерезы, которые первые поняли, что алмаз можно полировать алмазным же порошком, обнаружили, сколь замечательный внешний вид приобретает этот камень при удалении "рубашки". Однако они не придавали камню определенную форму, а лишь полировали естественные грани и добавляли многочисленные небольшие площадки в тех случаях, когда хотели скрыть изъяны. Ослепительная красота алмаза открывается лишь тогда, когда он огранен в форму бриллианта.

Название "алмаз" произошло от слова "адамас" - так называли минерал, который, как полагали во времена Плиния, превосходил по качеству прочие камни; однако термин "адамас" Плиний явно использовал для обозначения и других минералов, помимо того несравненного камня, который со времен Средневековья известен как diamond (алмаз). ("Вещество, которое отличается наибольшей ценностью не только среди Драгоценных камней, но и среди всего, чем может обладать человек, есть адамас - минерал, который на протяжении веков принадлежал лишь царям, да и то лишь немногим из них.

1.Происхождение слова «алмаз»

Название diamond происходит от латинского слова adamantem и. его распространенной формы adiamentem, которые созвучны греческому слову adamas, означающему "несокрушимый", что содержит намек не только на значительную твердость, но и на ошибочное представление о том, что алмаз может противостоять любому удару. "Карбонадо" - португальское слово, означающее "углистый", оно употреблялось для обозначения плотных зернистых разновидностей алмаза, встречающихся в Бразилии.

Греческие поэты Гепсоид и Эсхил писали, что адамас (греческое название алмаза) годится для изготовления шлема Геракла и цепей Прометея, т.е предметов , несокрушимость которых стала нарицательной. Да и само название <алмаз>, по разным версиям, происходит либо от греческого <адамас> (непреодалимый, несокрушимый),либо от арабского <ал-мас>(твердейший).

Алмазам, как и другим кристаллическим телам ,свойственна анизотропия некоторых характеристик (т.е. вариации этих характеристик в различных кристаллографических направлениях), в том числе и анизотропия твердости ,что обусловлено особенностями внутреннего строения кристаллов. Твердость меняется не только от грани к грани ,но и нередко в пределах одной и той же грани к грани, но и нередко в пределах одной и той же грани кристалла ,что необходимо учитывать при обработке алмаза и при работе с алмазам инструментом. Так ,при обработке одного алмаза другим их следует так взаимно ориентировать, чтобы обработка производилась в направлении наименьшей твердости ,а износ алмазного инструмента - в направлении наибольшей.

Необходимо подчеркнуть, что предел прочности на изгиб и на сжатие у алмаза сравнительно низок , поэтому он достаточно хрупок и при резком и сильном ударе может расколоться. Колется он по системе плоскостей ,параллельных определенным граням кристалла. В минералогии такое свойство называется спайностью. Наличие плоскостей спайности позволяет при обработке алмаза вместо со шлифовки откалывать кусочки кристалла, которые имеют различные дефекты или мешают приданию требуемой формы бриллианту или какому-нибудь техническому изделию из алмаза. С другой стороны, повышенная хрупкость алмаза являясь, безусловно,<слабым местом> алмазного инструмента, обусловливает необходимость его оберегания от резких неожиданных ударов. Даже использование стальных щипцов при сортировке бриллиантов требует определенного навыка, иначе можно легко обломать острые края камней.

Надо отметить, что в древние времена эти два свойства алмазов -твердость и прочность - зачастую не различались. Римский историк и естество испытатель Гай Плиний Старший писал , что «алмаз так сопротивляется ударам молота на наковальне , что молот разлетается ,а сама наковальня растрескивается. Проведи Плиний сам такой опыт , он бы убедился ,что как раз молот и наковальня у него бы остались ,а драгоценный камень превратился в пыль. Мнение о несокрушимости алмазов под мощными ударами было широко распространено в древности ,что зафиксировано в письменных документах и устных легендах разных времен и народов.

2.Химические свойства алмаза

Из всех драгоценных камней алмаз имеет наиболее простой химический состав - он представляет собой просто кристаллический углерод С. В нем часто присутствуют примеси, главным образом окись железа и кремнезем со следами извести и магнезии, но количество примесей обычно не превышает 5%. Именно примесь окислов железа обусловливает желтоватый оттенок, который столь характерен для алмазов нечистой воды, особенно для камней из Южной Африки, и который снижает их ценность.

Углерод диморфен, другая его кристаллическая разновидность - графит. Поистине, природа превзошла самое себя, создав из одного и того же элемента вещества со столь различными и противоположными свойствами, как твердый, блестящий и прозрачный алмаз и мягкий, маркий и непрозрачный графит. Каждое из этих веществ обладает присущими ему достоинствами. Алмаз, помимо того, что он превосходит по качествам все другие драгоценные камни, находит применение в промышленности в качестве режущего и абразивного материала. Графит употребляется для изготовления карандашей, для чистки кухонных плит, а в смеси с глиной - для изготовления огнеупорных тиглей. Кроме того, он неоценим как смазочный материал, особенно при работах под большой нагрузкой. Оба минерала существуют в природе, не обнаруживая заметной тенденции переходить один в другой. Действительно, для того чтобы кристалл алмаза почернел при нагревании без доступа кислорода, т. е. для того чтобы он частично превратился в графит, необходима очень высокая температура (по крайней мере 1500°). (При нагревании в атмосфере кислорода или даже на воздухе алмаз окисляется до СО или СО, при температурах около 800°С.)

Об абсолютно прозрачных и свободных от изъянов алмазах говорят, что они "чистой воды". Такие алмазы, когда они не обладают каким-либо цветовым оттенком, за. исключением, возможно, голубоватого, ценятся наиболее высоко. Камни со слабым желтоватым оттенком называются камнями "нечистой воды" и ценятся значительно ниже. Иногда предпринимались попытки улучшить камни нечистой воды, покрывая их базальные грани голубой пленкой. Такую пленку обычно можно удалить, промывая камень в бензоле, метиловом спирте или даже в горячей воде, но если эти способы не помогают, можно использовать и кислоту.

Определенную привлекательность имеют камни канареечно-желтого цвета, которые, однако, относятся к другой категории. Обычны также зеленоватые камни, хотя действительно хороший оттенок этого цвета редко выдерживается в пределах целого кристалла. Нередки коричневые камни, особенно из Южной Африки. Розовые камни менее обычны, а рубиново-красные, розовато-лиловые и синие камни редки. Камни, обладающие последним из перечисленных цветов, имеют, как правило, "стальной" оттенок. Сапфировосиние камни встречаются исключительно редко и стоят весьма дорого. Для обозначения алмазов с черными пятнышками углистого материала внутри используют французское слово "пике" (pique), означающее "исколотый" или "пятнистый от укусов насекомых".

Кристаллы алмаза. Алмаз кристаллизуется в виде октаэдров со сверкающими гладкими гранями и реже - в виде кубов с грубо протравленными гранями. Иногда вместо каждой из граней октаэдра развиваются три или шесть граней, и камень приобретает почти сферическую форму. Поверхности граней кристаллов часто усеяны равносторонними треугольными углублениями, которые возникают вследствие травления и растворения. Часто наблюдающееся искривление ребер кристаллов является результатом последовательного отступання плоскостей роста. Обычны двойники, в которых два отдельных кристалла соединяются вместе или прорастают друг друга, а также звездчатые формы. Иногда окта-эдрическне кристаллы изумительно симметричны. Округлые кристаллы нередко покрыты смолоподобной оболочкой, которая мягче самого кристалла.

Большое число природных кристаллов алмаза экспонируется в коллекции драгоценных камней Геологического музея в Лондоне. В России хорошие кристаллы алмаза демонстрируются в Алмазном фонде и в Минералогическом музее АН СССР в Москве.

Блеск полированного алмаза настолько характерен, что был назван "алмазным"; он обусловлен сочетанием высокого светопреломления и исключительной твердости. Алмаз, в отличие от стекла, прозрачен для рентгеновских лучей. Он фосфоресцирует под действием лучей, лежащих за пределами фиолетовой части видимого спектра, даже под действием коротковолнового излучения эманации радия. Некоторые, но не все алмазы флюоресцируют в ультрафиолетовых лучах в голубых или желтовато-зеленых тонах. Многие из них светятся в темноте после выдержки на солнечном свету, а некоторые даже излучают свет, если их потереть,- явление, известное под названием триболюмпнесценции.

Путем облучения алмазу можно придать искусственную окраску. Бомбардировка нейтронами вызывает зеленую окраску, причем ее интенсивность зависит от дозы облучения. Если такой зеленый алмаз нагревать, то цвет его изменяется, приобретая различные оттенки желтизны, но не исчезает полностью даже при высокой температуре. Бомбардировка электронами придает синюю окраску. Камни с естественной синей окраской можно отличить по их полупроводниковым свойствам. Цвет облученных алмазов объясняется, по-видимому, "радиационным нарушением" структуры кристалла, которая лишь частично восстанавливается при нагревании.

Удельный вес алмазов довольно постоянен, хотя он, естественно, более изменчив, чем показатель преломления, поскольку на его величину влияют включения газов и минералов, в то время как па показателе преломления эти факторы не сказываются. Средняя величина удельного веса для кристаллов равна 3,520 с возможными колебаниями, достигающими 0,010, причем удельный вес камней нечистой воды выше. Для высококачественного карбонадо средняя величина удельного веса равна 3,45 с колебаниями до 0,05; низкосортный материал имеет удельный вес всего лишь 3,10. Довольно высокие значения удельного веса указывались для австралийских алмазов. Недавние точные определения, проведенные на серии из 35 алмазов, дали преимущественно низкие значения удельного веса, колеблющиеся от 3,51477 до 3,51554, в среднем 3,51532 г/см3 при температуре 25°С. Кристаллы, относящиеся к типу I, дают более высокие значения и имеют меньшие пределы колебаний, чем кристаллы типа II. Укажем следующие величины показателя преломления и удельного веса отдельных алмазов. Все перечисленные ниже камни происходят из Южной Африки (кроме тех, для которых источник указан особо).

Показатель преломления:

белый - 2,4174, 2,4175, 2,4177, 2,4184, 2,4186, 2,4188;

канареечно-желтый - 2,4191,

золотистый - 2,4205.

Удельный вес (вес в метрических каратах указан в скобках):

голубовато-белый-(11,504), 3,515;

неотполированный желтовато-зеленый из Бразилии - (38,217), 3,521;

октаэдрический из Индии - (57,627), 3,522; белый - (13,812), 3,527.

Для каждого из перечисленных ниже алмазов в скобках указан вес в метрических каратах, а затем приводятся удельный вес и показатель преломления:

капский серебристый - (6,632), 3,523, 2,4190;

капский - (11,740), 3,523, 2,4200;

коричневый - (7,685), 3,518, 2,4180;

красновато-коричневый - (около 2), 3,518, 2,4192;

голубовато-стальной - (5,055), 3,523, 2,4192.

Алмаз - минерал весьма устойчивый. Он не поддается воздействию самых сильных кислот и их смесей (соляной, серной, азотной, плавиковой, <царской водки>), даже доведенных до температуры кипения. Не реагирует он и со щелочами. В то же время алмаз легко окисляется и сгорает в смеси соды с расплавленной натриевой или калиевой селитрой. Расплавленные карбонаты щелочей при 1000 - 1200 С также окисляют алмаз. При нагревании до 800 С в присутствии железа или сплавов на его основе алмаз растворяется, поэтому алмазные резцы не применяются при обработке стали и чугуна.

Алмаз с чистой поверхностью гидрофобен, т.е не смачивается водой. Из - за этого свойства он может проникать сквозь влажные слои гравийно - песчаных отложений и концентрироваться вместе с минералами значительно большей плотности гранатами, ильменитами. После называют минералами - спутниками алмаза: они помогают геологам отыскивать алмазные месторождения.

В то же время алмазы способны прилипать к некоторым видам жиров, на чем основаны некоторые способы извлечения алмазов из раздробленной алмазоносной породы.

3.Физико-механические свойства

Важное значение имеет очень низкий коэффициент трения алмаза по металлу на воздухе - всего 0,1 что связано с образованием на поверхности кристалла тонких пленок адсорбированного газа, играющих роль своеобразной смазки. Когда такие пленки не образуется ,коэффициент трения возрастает и достигает 0,5-0,55. Низкий коэффициент трения обусловливает исключительную износостойкость алмаза на истирание , которая превышает износостойкость корунда в 90 раз , а других абразивных материалов - в сотни и тысячи раз. В результате , например , при шлифовании изделий из твердых сплавов алмазного порошка расходуется в 600-3000 раз меньше ,чем любого другого абразива.

Для алмаза также характерны самый высокий (по сравнению со всеми известными в природе материалами)модуль упругости и самый низкий коэффициент сжатия.

4.Термические свойства

Температура плавления алмаза составляет 3700-4000 С .На воздухе алмаз сгорает при 850-1000 С, а в струе чистого кислорода горит слабо-голубым пламенем при 720-800 С, полностью превращаясь в конечном счете в углекислый газ. При нагреве до 2000-3000 С без доступа воздуха алмаз переходит в графит.

Рассматриваемый минерал обладает исключительно высокой теплопроводностью ,что обусловливает быстрый отвод тепла ,возникающего в процессе обработки деталей инструментом , изготовленным из него. Кроме того ,для алмаза характерен низкий температурный коэффициент линейного расширения (ниже , чем у твердых сплавов и стали). Это свойство алмаза учитывается при вставке его в оправу из разных металлов и других материалов.

5.Оптические свойства

Средний показатель преломления бесцветных кристаллов алмаза в желтом цвете равен примерно 2,417 ,а для различных цветов спектра он варьирует от 2,402 (для красного) до 2,465 (для фиолетового). Способность кристаллов разлагать белый цвет на отдельные составляющие называется дисперсией. Для алмаза дисперсия равна 0,063. Как показатели преломления , так и дисперсия алмаза намного превышают аналогичные свойства всех других природных прозрачных веществ, что и обусловливает в сочетании с твердостью непревзойденные качества алмазов как драгоценных камней. Высокое преломление в совокупности с чрезвычайно сильной дисперсией вызывает характерный блеск отполированного алмаза, названный алмазным.

Одним из важнейших свойств алмазов является люминесценция. Под действием видимого света и особенно катодных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей алмазы начинают люминесцировать- светиться различными цветами. Рентгенолюминесценция широко применяется на практике для извлечения алмазов из природы.

6.Электрические и магнитные свойства

Алмаз относится к изоляторам: его удельное электрическое сопротивление очень велико. Некоторые кристаллы, однако, имеют низкое удельное сопротивление и обладают свойствами полупроводников. Эти алмазы, как правило, голубого цвета. Очень высоко ценятся и исключительно редки. Алмаз относится к немагнитным минералам, но некоторые их разновидности имеют слабые парамагнитные свойства, которые в основном связаны с присутствием примеси азота. Иногда магнитные свойства придают алмазам и механические включения в них магнитных минералов- магнетита и ильменита. Это необходимо учитывать при извлечении алмазов из породы, так как при магнитной сепарации <магнитные> алмазы будут попадать в магнитную фракцию и могут быть пропущены.

7.Окраска

Большинство природных алмазов бесцветно, однако нередки такие камни самых разнообразных цветов и оттенков. Наиболее часто встречаются алмазы со слабым желтоватым оттенком, а также зеленоватые. В месторождениях Южной Африки зачастую попадаются бурые алмазы; за счет значительных примесей аморфного углерода они могут приобретать совершенно черную окраску. А вот розовые, рубиново - красные, розовато-лиловые и синие очень редки. Что касается алмазов сапфирово - синего цвета, то это, как уже отмечалось, явление исключительное, и ценятся они соответственно очень высоко.

Поверхность алмазов из наиболее древних месторождений (возраст которых превышает 1 млрд. лет) имеет зеленую окраску, которая, однако, исчезает при механической обработке кристалла. Ученые объясняют возникновение зеленой <рубашки> на алмазах продолжительным воздействием на них естественного радиоактивного облучения. Сейчас это явление воспроизведено экспериментально.

В США, Великобритании и ряде других странах искусственное окрашивание природных алмазов производят в лабораторных условиях. Если <бомбардировать> алмаз электронами с энергией 1МэВ, а потом с определенной скоростью охлаждать, то он приобретает синеватый цвет. Если энергия облучения достигает 1,5МэВ, то алмаз становится сине - зеленым. Оттенок цвета зависит от продолжительности излучения. К сожалению, искусственно окрашенные голубые алмазы, в отличие от природных голубых, не приобретают полупроводниковых свойств.

При облучении нейтронами алмаз окрашивается в зеленый цвет, густота которого также определяется продолжительностью излучения. Гамма - лучи придают алмазу равномерную голубовато - зеленую окраску.

8.Форма и размеры кристаллов

Большая часть алмазов встречается в природе в виде отдельных хорошо оформленных кристаллов или их обломков. Преобладают октаэдры, ромбододекаэдры и кубы, а также их комбинации. Это кристаллы с ровными плоскими гранями. Так их и называют - плоскогранными. Реже встречаются кривогранные, округлые кристаллы, однако в некоторых месторождениях они преобладают. Зачастую кристаллы алмаза срастаются друг с другом или же как бы <прорастают> друг друга, образуя соответственно так называемые двойники срастания и прорастания.

Практически во всех алмазных месторождениях присутствуют микро - и скрытокристаллические агрегаты, сложенные сотнями тесно сросшихся мельчайших зерен алмаза. Бортом обычно называют неправильные мелкозернистые сростки ( по технической классификации к борту относятся также трещиноватые монокристаллы). Балласы представляют собой шарообразные агрегаты радиально - лучистого строения, пористое, коксовидное и шлаковидное строение. Наиболее ценятся массивные карбонада, покрытые эмалевидной корочкой, которая тверже самого алмазного ядра. Карбонада незаменимы для изготовления алмазных буровых коронок.

Обычно размеры алмазных зерен варьируют от долей миллиметра до 0,5 - 1 см в поперечнике, но встречаются и очень крупные кристаллы.

Единицей массы драгоценных камней, в том числе и алмазов, является карат. По одной версии, термин "карат'' происходит от греческого слова " кератониа" ( маленький рог ). Так называлась росшая в Средиземноморье акация, семена которой греки долгое время использовали в качестве своеобразных гирек при взвешивании драгоценных камней. По другой версии. Слово "карат" ведет свою родословную от "куара" - так греки называли коралловое дерево ( Erytrina corallodendron). Масса семечек обоих деревьев удивительно постоянна и составляет в среднем 205 мг.

Вплоть до начала ХХ века в различных странах использовались карты разной величины. Например, флорентийский карат равнялся 197,2 мг, мадридский - 205,3, берлинский - 205,4, амстердамский - 205,7, венский - 206 мг. В 1914 г. был введен единый метрический карат, равный 200 мг (0,2 г). В Советском Союзе он официально действует с 1922 г. Алмаз массой в один карат имеет диаметр около 0,5 см.

Заключение

Алмаз -- самое твердое из всех природных веществ. По шкале Мооса относительная твердость алмаза равна 10, абсолютная в 1000 раз превышает твердость кварца и в 150 раз -- корунда. Максимальная твердость на гранях октаэдра, минимальная на гранях куба; на этом основаны огранка, распиловка и шлифовка алмазов. Спайность совершенная по октаэдру, что обусловливает хрупкость и несколько ограничивает использование алмаза. Излом раковистый. Плотность чистого алмаза 3,511 г/см3. Блеск сильный, от алмазного до жирного. Высокий показатель преломления (от 2,417 до 2,421) и сильная дисперсия (0,0574) обуславливают яркий блеск и разноцветную “игру” ограненных ювелирных алмазов, называемых бриллиантами. Алмаз может быть бесцветным и водянопрозрачным или окрашенным в различные оттенки желтого, коричневого, красного, голубого, зеленого, черного, серого цветов. Распределение окраски часто неравномерное, пятнистое или зональное. Под действием рентгеновских, катодных и ультрафиолетовых лучей большинство алмазов начинает светиться (люминесцировать) голубым, зеленым, розовым и др. цветами. Алмаз прилипает к некоторым жировым смесям, на этом основан получивший наибольшее распространение жировой способ извлечения алмазов на обогатительных фабриках.

На воздухе алмаз сгорает при 850 С с образованием СО2 ; в вакууме при температуре свыше 1500 С переходит в графит. Свойства алмаза резко меняются в зависимости от наличия (тип I) или отсутствия (тип II) примеси азота. Для типа I характерны аномальное двупреломление, низкая фотопроводимость, отсутствие злектропроводности, поглощение в инфракрасном (между 8-10 мкм) и ультрафиолетовом (от 3300 А) диапазонах, высокая теплопроводность. Безазотные алмазы (тип II) практически изотропны, с высокой фотопроводностью, не поглощают инфракрасное излучение и прозрачны в ультрафиолетовом (до 2200 А), обладают чрезвычайно высокой теплопроводностью. Рентгеновская диффракция выявляет в первом типе дополнительные линии, свидетельствующие о “дефектности” кристаллической структуры.

Алмазы встречаются в глубинных породах-эклогитах и некоторых глубокометаморфизованных гранатовых гнейсах. Мелкие алмазы в значительных количествах обнаружены в метеоритах (уреилиты), а также в гигантских метеоритных кратерах, где переплавленные породы содержат значительные количества мелкокристаллического алмаза или гексагональной высокобарической модификаци (лонсдейлита). Алмазы из кимберлитов и метеоритов отличаются от найденных в метеоритных кратерах и метаморфических породах повышенным содержанием тяжелого изотопа углерода -- 13С.

Литература

Рудзитис Г.Е., Фельдман Ф.Г. Химия-11 - М.: Просвещение, 1992.

Кременчугская М., Васильев С. Справочник студента - М.: АСТ, 1999.

Хомченко Г.П. Химия для поступающих в ВУЗы - М.: Высшая школа, 1993.